王 蛟

地鐵0.4 kV開關(guān)柜接地方式與開關(guān)極數(shù)選擇

王 蛟

分析了0.4 kV開關(guān)柜斷零的風(fēng)險，闡述了變電所不需為檢修安全設(shè)置四極開關(guān)，得出結(jié)論：變電所進線、母聯(lián)和饋線開關(guān)應(yīng)采用三極開關(guān)。此外，對國內(nèi)軌道交通建設(shè)中0.4 kV開關(guān)柜的各種接線方案進行了分析，指出了各個方案的優(yōu)缺點。并對較為合理的三極開關(guān)+PEN線單點接地方案進行了優(yōu)化設(shè)計，采取合理的方案實現(xiàn)了接地保護的選擇性。

城市軌道交通；供電系統(tǒng)；三極開關(guān)；四極開關(guān)；單點接地；多點接地；接地保護

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng) 0.4 kV側(cè)一般采用TN-S系統(tǒng)，場段內(nèi)部分回路采用TN-C-S或TT系統(tǒng)。變電所2臺配電變壓器高壓側(cè)分別接入35 kV兩段母線分列運行。低壓0.4 kV母線為單母線分段，設(shè)置母聯(lián)斷路器。正常運行時，2臺進線低壓斷路器均投入運行，母聯(lián)斷路器處于分閘位置，0.4 kV母線分段運行。當其中的一路電源失去電壓時，該進線斷路器延時跳閘，母聯(lián)開關(guān)自動投入。

35/0.4 kV配電變電所既是低壓配電系統(tǒng)的電源端，也是35 kV高壓配電系統(tǒng)的負荷端。因此它既有配電變壓器低壓側(cè)中性點的系統(tǒng)接地，也有電氣設(shè)備外露導(dǎo)電部分的保護接地。

0.4 kV開關(guān)具有切斷電源，保證設(shè)備和人員安全的作用。是否需要或者允許配備四極開關(guān)切斷N線（或PEN線），直接關(guān)系到人員安全，需要進行研究。對于0.4 kV開關(guān)柜的接地，因其同時具有工作接地和保護接地的需求，直接關(guān)系到設(shè)備和人員安全，也必須同時考慮。上述2個問題是相互關(guān)聯(lián)的，應(yīng)綜合考慮提出合理解決方案。

1 方案研究關(guān)鍵點

1.1 0.4 kV開關(guān)極數(shù)的選擇

（1）斷零的危害。0.4 kV開關(guān)極數(shù)的選擇，實際上就是是否允許或者要求0.4 kV開關(guān)柜斷N線（或PEN線）。經(jīng)過大量的工程實際證明，0.4 kV開關(guān)柜斷N線（或PEN線）后會發(fā)生大量燒壞單相設(shè)備的事故。

圖1中相線L1未帶負載，L2帶一個150 W白熾燈泡，L3帶一個15 W白熾燈泡，三相負載非常不平衡。當中性線未斷線，三相電壓差異較小，這是因為三相均由220 V繞組電壓供電，其電壓差在于三相不同負載電流產(chǎn)生不同的線路電壓降。當中性線中斷，如圖1所示，150 W和15 W燈泡串聯(lián)后接在380 V單相回路中。因白熾燈泡是電阻性負載，阻值R與功率P成反比，假設(shè)150 W燈泡的電阻為R，則15 W燈泡的電阻為10R，380 V電壓按1∶10的比例在2個燈泡上分配。150 W燈泡上的電壓為35 V，而15W燈泡上的電壓高達345 V，很快就被燒毀。

此外，斷零危害存在隱蔽性。如前文分析，當斷零后如果三相負荷是平衡的，系統(tǒng)仍然可正常運行，沒有任何表征。當切除部分單相負載導(dǎo)致三相負荷不平衡時，系統(tǒng)電壓重新分配，開始燒損設(shè)備。

如果配備四極開關(guān)，將增大斷零的風(fēng)險。運行證明，如果四極開關(guān)有一對觸頭不導(dǎo)電，這一對觸頭往往是中性線上的觸頭。當開關(guān)切斷負載電流時，觸頭間會產(chǎn)生電弧，通過電弧能清除觸頭表面的電阻膜，從而減少接觸電阻。對于四極開關(guān)為了防止斷零風(fēng)險，分閘時先斷開3個相線觸頭后再斷開中性線觸頭，合閘時先合中性線觸頭后再合上3個相線觸頭。分閘時3根相線斷開后，中性線上不存在電流，中性線觸頭不會產(chǎn)生電弧來清除電阻膜，所以中性線觸頭的接觸電阻總是大于相線觸頭的接觸電阻。這正是四極開關(guān)易導(dǎo)致斷零事故的一個重要原因。

圖1 斷零的危害分析示意圖

（2）為保證檢修人員安全，是否需要斷零。如停電維修時僅切斷3根相線，維修時會發(fā)生電擊傷人等事故，這是因為回路的帶電導(dǎo)體并未做到完全隔離。中性線可能因各種原因?qū)Φ卮嬖陔娢徊?，甚至帶危險的電位，因此進行電氣維修時不僅應(yīng)斷開相線，還應(yīng)斷開中性線。但是，變電所內(nèi)如果做有等電位聯(lián)結(jié)，則不論采用的是 TN-C-S系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)還是 TT系統(tǒng)，在變電所內(nèi)都不需為維修安全裝設(shè)四極開關(guān)。此時，變壓器中性點在變電所內(nèi)直接接地。即使中性線出線上由低壓網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳入故障電壓，由于等電位聯(lián)結(jié)的作用，中性線與變電所的地和其他導(dǎo)電部分都升高至同一電位，它們之間不存在電位差，不會對維修人員構(gòu)成危險。

綜上所述，0.4 kV開關(guān)柜進線、母聯(lián)和饋線開關(guān)應(yīng)選擇三極開關(guān)。

1.2 0.4 kV開關(guān)柜的N線必須單點接地

根據(jù)IEC標準，不允許在變壓器室內(nèi)將中性點就地接地，且自變壓器中性點引出的N線（或PEN線）必須絕緣，只能在低壓配電盤內(nèi)一點與接地的PE母排連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)接地。如N線（或PEN線）和PE線間采用多點連接，將導(dǎo)致N線電流多通道流通，造成保護靈敏度降低和電氣火災(zāi)隱患。

1.3 0.4 kV進線開關(guān)設(shè)置接地故障保護的必要性

當0.4 kV饋線距離較長且配備線纜規(guī)格較小時，經(jīng)校驗發(fā)生單相接地故障短路保護不滿足靈敏度要求時，饋線上應(yīng)裝設(shè)接地故障保護模塊。進線開關(guān)作為饋線開關(guān)的后備保護也必須設(shè)置接地故障保護模塊。

因此，如何構(gòu)建合理方案，實現(xiàn)一段母線和二段母線及其饋線發(fā)生單相接地故障時的保護選擇性是研究的重點。

2 地鐵設(shè)計中常見的幾個方案

2.1 方案一

進線和母聯(lián)開關(guān)采用四極開關(guān)，2臺變壓器低壓側(cè)中性點接地。

（1）方案優(yōu)點。該方案進線和母聯(lián)開關(guān)采用四極開關(guān)，在2臺變壓器運行和單臺變壓器帶兩段母線2種運行方式下，發(fā)生單相接地故障時，接地電流均只有一個通路回到變壓器的中性點，具體如圖2、圖3所示。

圖2 四極開關(guān)接線單相接地故障電流流向圖1

圖3 四極開關(guān)接線單相接地故障電流流向圖2

發(fā)生一段母線單相接地故障后，通過電流互感器Ta1、Tb1、Tc1和Tn1分別測得Ia、Ib、Ic和In。Ia、Ib、Ic和In的矢量和即為接地故障電流Ig。該方案接地故障電流只有一個通路，接地保護不會誤動。

（2）方案缺點。該方案設(shè)置了四極開關(guān)，存在斷零風(fēng)險。

2.2 方案二

進線和母聯(lián)開關(guān)采用三極開關(guān)，2臺變壓器低壓側(cè)中性點接地。各設(shè)備接地方式與方案一基本相同，區(qū)別為變壓器、低壓柜一段母線和低壓柜二段母線三者之間N線不設(shè)置斷點。

（1）方案優(yōu)點。該方案設(shè)置了三極開關(guān)，不存在斷零風(fēng)險。

（2）方案缺點。該方案進線和母聯(lián)開關(guān)采用三極開關(guān)，N線通過PE線間進行了兩點接地。

在 2臺變壓器分列運行發(fā)生一段母線單相接地故障時，接地電流同時流過N線上的Tn1和Tn2電流互感器，造成一段母線接地故障保護靈敏度下降和二段母線進線開關(guān)接地保護誤動。具體如圖4所示。

圖4 三極開關(guān)方案單相接地故障電流流向圖1

在單臺變壓器帶兩段母線運行方式下，發(fā)生二段母線單相接地故障時，部分接地電流也會在 N線中流過，降低了一段母線的接地故障保護的靈敏度。具體如圖5所示。

圖5 三極開關(guān)方案單相接地故障電流流向圖2

2.3 方案三

進線開關(guān)采用三極開關(guān)，母聯(lián)開關(guān)采用四極開關(guān)，2臺變壓器低壓側(cè)中性點接地。各設(shè)備接地方式與方案二基本相同，區(qū)別為0.4 kV開關(guān)柜內(nèi)N線設(shè)置了斷點。

（1）方案優(yōu)點。在2臺變壓器分列運行方式下，發(fā)生一段母線單相接地故障時，接地電流只有一個通路回到變壓器的中性點，接地故障保護靈敏度較高。具體如圖6、圖7所示。

圖6 三極+四極開關(guān)方案單相接地故障電流流向圖1

（2）方案缺點。

a.在單臺變壓器帶兩段母線運行方式下，發(fā)生單相接地故障時，部分接地電流會在N線中流過，降低了一段母線的接地故障保護的靈敏度。

b.母聯(lián)開關(guān)存在斷零風(fēng)險。

圖7 三極+四極開關(guān)方案單相接地故障電流流向圖2

2.4 方案四

進線和母聯(lián)開關(guān)采用三極開關(guān)，2臺變壓器低壓側(cè)中性點在低壓柜內(nèi)單點接地。

（1）方案優(yōu)點。在2臺變壓器運行和單臺變壓器帶兩段母線兩種運行方式下，發(fā)生單相接地故障時，接地電流均只有一個通路回到變壓器的中性點，具體如圖8、圖9所示。

圖8 三極開關(guān)+PEN線單點接地方案單相接地故障電流流向圖1

（2）方案缺點。圖8中，當發(fā)生一段或者二段母線（或饋線）單相接地故障時，單相接地電流均流過電流互感器 Tg，無法區(qū)分是哪段母線的故障。如果采用Tg的電流用于跳閘，接地保護將失去選擇性，變電所任一0.4 kV母線和饋線發(fā)生單相接地故障都將導(dǎo)致全所失電，擴大了事故范圍。

圖9 三極開關(guān)+PEN線單點接地方案單相接地故障電流流向圖2

3 方案優(yōu)化研究

根據(jù)上述分析，方案設(shè)計在“三極開關(guān)+PEN線單點接地方案”基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。一次接線方案與“三極開關(guān)+PEN線單點接地方案”相同，這里不累敘。優(yōu)化重點在于解決接地故障保護的選擇性問題。

接地故障保護可采取3種措施：

（1）采用相線的短路保護兼做接地保護。該方案存在靈敏度不能滿足要求的可能，在此不作論述，可根據(jù)工程實際情況校核通過后采用。

（2）采用剩余電流保護。研究重點在于采取尋找合適的接地故障電流測量電流互感器Tg的安裝位置。

（3）采用零序電流保護。

3.1 采用剩余電流保護

因變電所內(nèi)采用PEN線單點接PE線后，只能在PEN線和PE線連接點附近測得接地故障電流。接地故障電流測量電流互感器Tg的各種安裝方案如下：

（1）在PE線上裝設(shè)Tg1和Tg2分別用于測量兩段母線的接地故障電流，按照理想的接線是可實現(xiàn)的。但是，在實際工程中，0.4 kV饋線中存在大量的一級和二級負荷采用雙電源供電，其外殼將兩段母線的PE線進行了連通。不管是0.4 kV的哪個位置發(fā)生單相接地故障，Tg1和Tg2都將流過故障電流，見圖10。

因此在PE線上裝設(shè)接地故障測量電流互感器是不可行的。

圖10 PE線裝設(shè)流互方案單相接地故障電流流向圖

（2）在PEN線上裝設(shè)Tg1和Tg2分別用于測量兩段母線的接地故障電流，當2臺變壓器分列運行時，不管0.4 kV系統(tǒng)的哪個位置發(fā)生單相接地故障，Tg1和Tg2都將流過對應(yīng)母線的接地故障電流。具體見圖 11，一段母線發(fā)生單相接地故障，接地故障電流流過Tg1。

圖11 PEN線裝設(shè)流互方案單相接地故障電流流向圖1（裝設(shè)于饋線柜末端）

當變壓器1帶兩段母線時，Tg1和Tg2內(nèi)會流過二段母線饋線產(chǎn)生的不平衡電流，無法可靠的測得對應(yīng)兩段母線的接地故障電流。如圖12所示。

因此，不論電流互感器是裝設(shè)在 PE線還是PEN線上，均無法準確測得接地故障電流。

圖12 PEN線裝設(shè)流互方案單相接地故障電流流向圖2（裝設(shè)于饋線柜末端）

3.2 采用零序電流保護

通過計算 3個相線電流的矢量和作為零序電流，將零序電流作用于保護跳閘。因系統(tǒng)在正常運行時，三相負載不平衡也會產(chǎn)生零序電流，其值一般小于變壓器額定電流的10%，因此作為接地故障保護，其整定應(yīng)躲過不平衡電流，一般整定為變壓器額定電流的20%左右。

因為不論系統(tǒng)在何處發(fā)生短路，最終均反映在相線電流的大小上，因此采用一段和二段母線進線的零序電流作為接地故障保護可實現(xiàn)保護選擇性。

原理接線圖如圖13所示。

方案實施要點見表1。

圖13 采用零序電流實現(xiàn)接地保護方案原理圖

表1 PEN線裝設(shè)流互方案實施要點表

4 結(jié)論

經(jīng)過多個方案的比選，推薦變電所0.4 kV開關(guān)柜采用三極開關(guān)+PEN線單點接地方案，并通過零序電流實現(xiàn)單相接地故障保護。采用該方案，避免了斷零的風(fēng)險，保證了設(shè)備和人員安全；PEN線單點接地提高了保護靈敏度，也降低了電氣火災(zāi)的可能；能可靠區(qū)分兩段母線的接地故障電流，實現(xiàn)單相接地故障保護的選擇性。

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Risk of neutral line broken of 0.4 kV switchgear was analyzed in this paper, and it was expounded that four-pole switch was unnecessary in substation for the sake of maintenance. Finally, conclusion was gained that three-pole switch should be adopted in the incoming lines, bus coupling and feeder line switches in the substation. In addition, various wiring schemes of 0.4 kV switchgear in domestic rail transit construction were analyzed in this paper, and the advantages and disadvantages of each scheme were pointed out. Meanwhile, the comparatively appropriate scheme that three-pole switch + PEN line with single point earthing was optimized, and the selectivity of earthing fault protection was realized by taking proper schemes.

Urban rail transit; power supply system; three-pole switch; four-pole switch; single-point earthing; multipoint earthing; earthing fault protection

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0036-05

2014-10-23

王 蛟.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司電化處，高級工程師，電話：027-51155312。